Техническая оптика

Внутрь концентрических менисков вводятся аномальные склейки (ас), которые обладают отрицательными высшими порядками анастигматизма, что увеличивает отрицательную меридиональную сферическую аберрацию. Необходимо использовать геометрическое виньетирование либо ограниченное поле зрения.

Объектив типа «Планар». Схема была предложена Рудольфом; наиболее распространена в фотографии. «Планар» – универсальный объектив повышенных возможностей, состоящий из 4-х компонентов (из них два внутренних склеенных), расположенных симметрично относительно плоской диафрагмы. Отечественным аналогом является объектив типа «Гелиос», применяемый главным образом в фотографических и киносъемочных аппаратах, а также в качестве репродукционных объективов, в телевизионных системах и т.д.

Шифр объектива: Б(ка)+2К(анII, хс)+Б(ак).

Рис.10.7. Объектив типа «Планар»

Хроматическая склейка служит для исправления хроматизма положения.

В исходных базовых линзах присутствует отрицательная сферическая аберрация. Для компенсации этих аберраций вводится воздушная линза, которая отрицательной оптической силой (положительной сферической аберрацией), образованная вогнутыми поверхностями коррекционных элементов, расположенных вблизи диафрагмы.

Объектив Петцваля – 2х компонентная система, разделенная большим воздушным промежутком.

В нем невозможно исправить кривизну поля (изображения). Поэтому ставят только условие – исправление астигматизма (из полевых аберраций) для получения анастигмата. Шифр: Б(т, нс)+Б(т, нс).

91

Расклеенный элемент обладает дополнительным коррекционным параметром – способствует устранению сферических аберраций высших порядков. Такие схемы могут быть использованы в микроскопии в качестве схемы микрообъектива небольшого увеличения или они используются в конструкции микрообъективов с широкими апертурами в качестве коррекционных силовых элементов.

Объектив типа «Гелиос» представляет собой анастигмат, обеспечивающий высокое качество изображения в пределах всего поля зрения. Состоит из 4 или 5-ти компонентов (6 линз); апертурная диафрагма расположена между 3-ей и 4-ой линзами (рис. 10.8). Склейки служат для исправления хроматизма положения. К недостатку схемы можно отнести отрицательную сферическую аберрацию положительных линз. Ее устраняют, располагая анастигматические поверхности менисков вблизи материальной диафрагмы – образуется воздушная отрицательная линза, которая создает положительную сферическую аберрацию.

Рисунок 10.8. Схема объектива «Гелиос»

Параметры наиболее широко применяемых фотографических объективов «Гелиос» приведены в таблице10.1.

Табл 10.1 – Основные технические характеристики некоторых объективов «Гелиос»

92

11. ШИРОКОУГОЛЬНЫЕ ОБЪЕКТИВЫ

Создание широкоугольных систем наиболее сложная задача т.к. при увеличении поля зрения идет увеличение полевых аберраций и уменьшение освещенности.

Из-за резкого спада освещенности по полю невозможно вводить геометрическое виньетирование, которое используется для уменьшения кружка рассеяния в широких внеосевых пучках.

Основная задача расчетчика – корригировать все аберрации широкого наклонного пучка:

–устранение нечетных аберраций (кома, дисторсия, хроматизм увеличения) решается за счет симметричных или пропорциональных конструкций;

–четные аберрации (кривизна поля, астигматизм, меридиональная и сагиттальная сферическая аберрация широкого пучка) исправляют различными приемами.

К примеру, борьба с астигматизмом и кривизной поля решается использованием аномальных склеек. Наибольшую трудность представляет полевая асферическая аберрация (одна из трех составляющих попереч-

ной аберрации широкого внеосевого пучка; две другие – астигматизм и кома).

Меридиональную сферическую аберрацию широкого внеосевого пучка исправляют введением базовых элементов, концентрических линз.

11.1.Широкоугольный объектив “Лиар”

Шифр объектива: К(О,К)+2Б(К,К)+К(Т,АН).

Отрицательная линза (первая) развивает поле зрения. Вторая линза (концентрическая) нужна для компенсации. Плоские поверхности не вносят ни комы, ни астигматизма, ни кривизны поля, но возможно возникновение отрицательной дисторсии.

93

Базовая схема сочетает эллиптическое зеркало и концентрическую линзу. Возможно введение плоского зер-

кала с отверстием, совпадающим с входным зрачком. Ее можно применять в качестве исходной и строить симмет-

ричную конструкцию с устранением нечетных абераций. Эллиптическая поверхность не будет корригирована на

кому и дисторсию.

Угловое поле базового объектива 2 120 .

11.3. Объектив Руссар

Построен по принципу объектива Гаусса. Шифр объектива: 2[Б (АН׀׀ +К(К,К)]. Угловое поле объектива 2 100 .

Дальнейшее развитие этой схемы привело к созданию новых объективов: Б[К – 2К(Т а II)К]. Кроме того внутрь базовых линз можно вводить аномальные склейки, которые исправляют астигматизм.

Рис. 11.2 . Широкоугольный объектив Руссар.

Развитие схем этих объективов привело к принципиально новым объективам, которые обладают положи-

тельным виньетированием (аберрационным), что улучшает функцию светораспределения: cos3 . Создана большая серия объективов типа «Руссар».

95

Дальнейшее усовершенствование данных объективов велось по нескольким направлениям:

1)за счет усложнения компоновки;

2)за счет разделения коррекционных отрицательных менисков;

такое разделение аналогично введению в первоначально коррекционную линзу двух пар воздушных телеконцентрических линз, шифр Б[К – 2К(Т а II)К];

3) могут быть использованы 3-е компоновки.

Уменьшение аберраций способствует повышению относительного отверстия и улучшению качества изображения. Уменьшение аберраций способствует повышению относительного отверстия и улучшению качества изображения.

Вторые и третьи компоновки вносят дополнительное виньетирование при 2 120 :

12.МИКРООБЪЕКТИВЫ

12.1.Особенности и методы расчета микрообъективов

Объектив является наиболее ответственным узлом микроскопа, так как от его числовой апертуры и коррекции аберраций зависят разрешающая способность и качество изображения в целом.

Основные трудности расчета:

1.исправление аберраций осевого пучка (сферическаяи хроматизм положения)

2.обеспечение большой апертуры А в пространстве предметов для получения большого разрешения;

3.исправление полевых аберраций (кривизна поля, астигматизм и кома).

Если микрообъектив невысокого качества, то используются компенсационные окуляры, которые компенсируют:

-хроматизм увеличения;

-апертуру.

Методы расчета объективов микроскопа:

- метод проб: выбирается аналог с возможно близкими оптическими характеристиками к рассчитываемому объективу, изучается влияние изменения конструктивных элементов на аберрации и оптические характеристики и путем интерполяции или экстраполяции находят новые значения конструктивных элементов и производят контрольные расчеты хода лучей, в результате которого выясняется действительное состояние коррекции (повторяется

96

несколько раз до получения удовлетворительного решения); метод достаточно эффективен, когда исходный объектив близок к рассчитываемой ОС.

-алгебраический метод используется при расчете объективов небольшой числовой апертуры и увеличения: оптическая схема обычно состоит из двух компонентов; эффективна методика для ОС из тонких компонентов в области аберраций 3-го порядка.

-комбинированный – рациональное сочетание алгебраического и метода проб (алгебраический используют в начале для коррекции аберраций3-го порядка, метод проб – для коррекции остаточных аберраций высшего порядка).

-метод расчета по частям: – микрообъектив условно разделяют на две части, рассчитываемые в начале расчета раздельно при соблюдении заданных оптических характеристик (увеличение, фокусное расстояние, числовая апертура, поле, длина тубуса, рабочее расстояние)при соединении частей, а также при обеспечении необходимой для данного типа коррекции аберраций.

При расчете первой фронтальной части, работающей со значительной числовой апертурой, могут использо-

ваться апланатические поверхности. Например, фронтальные апланатические мениски.

Апертура уменьшается в n2 раз, что облегчает работу последующей системы. Т.к. апертурный угол для второй части существенно снижается, возможно использовать алгебраический метод (коррекция аберраций 3-го порядка), который позволяет определить необходимое число компонентов в оптической схеме и выбрать их тип. Но линза остается не ахроматизированной. Оптимизация схем производится на ЭВМ.

12.2. Анализ композиций оптических систем микрообъективов

Фронтальная часть - плоскоапланатическая линза. При всех своих положительных свойствах эта линза считается неахроматизированной. Ее хроматизм положения и увеличения:

97

С ростом увеличения микрообъектива значения хроматизма весьма ощутимы, т.е. во второй части после плоскоапланатической линзы, кроме исправления собственных аберраций, необходимо исправлять хроматизм положения и увеличения, а также кривизны поля фронтальной линзы.

Для второй части микрообъектива используют обычно систему из двух компонентов, разделенных значительным воздушным промежутком, при этом будет облегчена коррекция сферической аберрации и хроматизма положения. В результате имеем композицию микрообъектива: ахромат со средними значениями увеличения и апертуры. Схема микрообъектива с увеличением β=40 и апертурой 0,65 и графики аберраций изображены на рис. 12.1.

Рис.12.1 – Микрообъектив ахромат 40 0,65

При ахроматизации объектива для двух линий спектра остается довольно большой остаточный хроматизм – вторичный спектр. Поэтому при создании светосильных микрообъективов с большими апертурами и увеличениями необходимо вводить в их принципиальную схему дополнительные конструктивные элементы, позволяющие расширить коррекционные возможности базовой системы.

Фронтальный компонент с плоской и конфокальной поверхностями. Подобная линза имеет увеличение β= n.

В такой фронтальной линзе полностью устранены сферическая аберрация, кома и хроматизм положения. Вторая конфокальная поверхность линзы вносит положительный астигматизм. Таким образом, все эти особенности способствуют уменьшению нагрузки для 2-й части ОС в отношении исправления аберраций.

98

Отсутствие хроматизма положения в плоскоконфокальных линзах позволяет использовать марки стекол с высокими показателями преломления (типа СТК), что обеспечивает достаточное линейное увеличение в сравнении с плоскоапланатическими линзами.

При образовании воздушного предметного отрезка (также как и с плоскоапланатической фронтальной линзой) появляется отрицательная сферическая аберрация, но она может быть скомпенсирована за счет некоторого отступления 2-й поверхности от конфокальности, при котором возникает положительная сферическая аберрация. При этом одновременно происходит некоторое повышение линейного увеличения.

Перечисленные факторы позволяют создать микрообъектив, состоящий всего лишь из плоскоконфокальной фронтальной линзы и двухлинзового склеенного компонента.

Микрообъектив 40х0,4 с конфокальной фронтальной линзой представлен на рис. 12.2.

Рис.12.2. Микрообъектив с фронтальной конфокальной линзой 40х0,4

Применение конфокальной поверхности во фронтальной линзе с высоким показателем преломления дает возможность отказаться от применения во 2-й части микрообъектива двухлинзовых склеенных компонентов, разделенных конечным воздушным промежутком. Получаем телеконфокальную фронтальную линзу: из двух конфокальных поверхностей образована телескопическая система, которая практически безаберрационна (исключена сферическая аберрация, кома, астигматизм, кривизна поля и хроматизм положения, а также при соответствующем подборе чисел Аббе – хроматизм увеличения). Она обладает линейным увеличением, равным показателю прелом-

99

ления ее положительной линзы. На рис. 12.3 приведена схема микрообъектива планахромата (f’=3,96 мм; апертура 0,1), построенного из плосковыпуклой и телеконфокальной линз.

Рис.12.3. Микрообъектив планахромат с телеконфокальной линзой

12.3. Зеркально-линзовые микрообъективы

При использовании отражающих поверхностей в микрообъективах, как и в других ОС, можно кардинально устранять хроматизм и получать изображения в широком спектральном диапазоне.

Часто используют двухзеркальные концентрические системы (схема Боуэна).

В целях обеспечения необходимой жесткости конструкцию подобной двухзеркальной концентричной системы можно выполнить в виде монолитного элемента из массы стекла; при этом входная и выходная поверхности должны быть конфокальными по отношению к предметной точке и к точке изображения. Подобная система (на основе зеркала Манжена) была предложена Максутовым и представлена на рис. 12.5, а. Данный тип объективов часто используется в УФ (характеристики А=0,85, λ=0,276 мкм). Коэффициент центрального экранирования η=0,39.

Однако схема микрообъектива Максутова, несмотря на устойчивость, оказывается нетехнологичной, существуют трудности центрировки (необходимо на одной и той же детали сцентрировать четыре сферические поверхности, сохраняя одновременно и весьма жесткий допуск на толщины).

Пара концентричных зеркал использовалась в качестве базовой системы также в схемах:

- зеркально-линзового микрообъектива Волосова (рис. 12.5, б); объектива Попова (рис. 12.5, в).

100